Изучение кристаллов минералов - один из самых эффектных примеров в истории естествознания. На основании лишь только визуальных наблюдений и умозаключений удалось не только догадаться об атомистическом строении материи и вывести законы расположения атомов в кристаллических решетках твердых тел за 20 лет до того как экспериментально было доказано существование как самих атомов так и кристаллических решетках.
Общеизвестно, что авторами атомистических идей были греки Левкип и Демокрит (IV в. д.н.э.), однако не сохранились письменные документы, позволяющие понять, что лежало в основе этих идей - были ли это наблюдения над кристаллами или другие соображения. В эпоху возрождения появление атомистических идей независимо у многих авторов непосредственно связано с наблюдениями над кристаллами минералов. Одним из первых эти идеи были опубликованы Иоганном Кеплером (более известен как астроном, открыватель законов движения планет) в опусе 1611г. "Трактат о новогоднем снеге" Кеплер обратил внимание, что снежинки (кристаллы снега) всегда имеют 3,6 или 12 лучей, но никогда 4,5,7,8 и т.д. Он объяснил это тем, что кристаллы состоят из мельчайших сферических частиц, плотная упаковка которых (рис 1) приводит к тому, что каждая такая частица оказывается окруженной шестью другими, расположенными по вершинам правильного шестиугольника. Таким образом, Кеплер также сделал вывод о росте кристаллов "снаружи" путем укладки новых частиц (около ста лет позже другой, известный натуралист Карл Линней все еще считал, что кристаллы, как и деревья, растут изнутри).
Идея буквально лежала на поверхности - независимо друг от друга ее высказали многие известные ученые, в том числе и Михаил Ломоносов, опубликовавший в 1741г. в своей диссертации о природе селитры практически аналогичные соображения (рис.2). Известный физик Х.Гюйгенс, наблюдая эффекты двупреломления света кальцитом, а также его ромбоэдрическую спайность предложил эллипсоидальную форму атомов вместо шарообразной. Уже были известны, сделанные Н.Стеноном и Роме де Лиллем наблюдения о равенстве углов между сходными гранями разных кристаллов одного минерала, когда французский кристаллограф аббат Р.Ж.Гаюи занялся изучением свойства спайности. По преданию, он уронил кристалл кальцита и, увидев, как тот рассыпался на правильные ромбоэдры, воскликнул "все найдено". Он стал раскалывать все попадавшие ему кристаллы, заслужив у знакомых прозвище кристаллокласта - дробителя минералов. Фигуры, на которые раскалывались кристаллы (куб, ромбоэдр, октаэдр, тетраэдр, ромбододекаэдр) позволили ему предположить "многогранную" форму атомов и вывести в 1783 году закон, позволивший теоретически рассчитать возможные грани кристаллов. На рис. 3 показано как, укладывая многогранники в плотную упаковку (заполнение пространства без промежутков) ступеньками можно получить более сложные грани, "шероховатость" которых незаметна глазом ввиду мельчайшего размера частиц. Гаюи уже был весьма близок к расшифровке некоторых простых структур.
Дальнейшим шагом развития атомистической идеи было предложение У.Волластона (около 1813) абстрагироваться от конкретной формы атомов и заменить их математическими точками. Таким образом, появилось представление о кристаллических решетках. Математиком О.Браве были выведены 14 возможных для кристаллов типов решеток, а также точечные группы симметрии вывод которых был полностью завершен в 1833 году И.Гесселем. Е.С. Федоровым в 1891 и, независимо, Шенфлисом был сделан полный вывод 230 пространственных групп симметрии, т.е. 230 возможных законов расположения атомов в кристаллических решетках. При этом само существование как атомов, так и кристаллических решеток доказано еще не было. Более того, среди химиков появились очень сильные сомнения в их реальном существовании. Например, известный химик В.Оствальд читал в университете г.Вильно в 1912г. лекцию "О крахе материализма", в которой доказывал необходимость отказаться от понятия атом, как абстракции, полезной в свое время, но уже тормозящей развитие науки. В этом же году М.Лауэ пропустил рентгеновские лучи через кристалл сфалерита и получил дифракционную картину, доказав разом реальность атомов и кристаллических решеток и волновую природу рентгеновских лучей. С этого момента началась массовая расшифровка кристаллических структур минералов и синтетических веществ, теоретический аппарат для которой был уже полностью готов.
Интересно сравнить, как проходило развитие атомистической идеи в химии, где путь к новой науке кристаллохимии был совсем не столь прям как в минералогии и где каждая новая парадигма, с трудом укрепляясь, являлась в свою очередь тормозом новой. Отцом химической атомистики по праву считается Дальтон, который перевел понятие атом из категории обихода философского в научную категорию.
Дальтон первоначально занимался наблюдениями над атмосферными явлениями и ряд наблюдений убедили его в том, что атмосферные газы имеют атомарное строение. Он первым занялся измерением относительного веса атомов сначала газов, а потом и других элементов, взяв за исходную единицу вес атома водорода. Он обнаружил, что относительные веса атомов являются кратными величинами, за что первоначально яростно критиковался исследователями, считавшими его результаты следствием высокой погрешности измерений или фальсификацией. Наибольшая проблема возникла в связи с неизвестностью в это время химических формул многих соединений. Так следуя принципу наибольшей простоты (ошибка аналогичная ошибке Гаюи) он предположил формулу воды HO, в результате чего ошибся вдвое при измерении веса кислорода. Такие ошибки имели не очень существенное значение.
Более серьезная проблема заключалась в другом. Так установление Гей-Люссаком закона взаимодействий газов было сначала принято Дальтоном на "ура" т.к. подтверждало принцип кратности. Однако выяснилось, например, что, реагируя друг с другом, один объем кислорода и один объем азота образуют 2 объема NO, а не один, что противоречило идее о неделимости атомов, которую Дальтон считал основополагающей. Дальтон, по примеру своих же критиков, обвинил Гей-Люссака в неточностях измерений. Проблема же была в двухатомном строении молекул газов. Именно молекулы, разделяясь на 2 атома и давали 2 объема. Уяснение наличия двух типов: атомарного и молекулярного строения вещества заняло в химии довольно много времени. Основные работы Дальтона относятся к первым годам 19 столетия, а лишь в 1861 г. на съезде химиков в Карлсруэ понятие молекулы было официально утверждено.В дальнейшем представления о молекулярном строении веществ, как и огромные успехи органической химии в то время, имевшей дело с молекулярными веществами, сильно помешали развитию учения о низкомолекулярных - кристаллических веществах в химии.
Сам Е.С.Федоров, комментируя в первой четверти столетия успехи расшифровки кристаллических структур, говорил, что по его представлениям в узлах кристаллических решеток должны были находится молекулы веществ, в то время как оказалось, что эти узлы в подавляющем большинстве случаев связаны с атомами (исключая молекулярные кристаллы) До сих пор в школьных учебниках химии можно найти определение молекулы как мельчайшей частицы вещества, сохраняющей его свойства, что, в общем случае, неверно. Парадигма о трехмерном периодическом строении кристаллических веществ и, вытекающие следствия о невозможности появления осей симметрии 5 и более шестого порядков в свое время также помешала правильно интерпретировать данные о существовании квазикристаллов в которых закономерные нарушения дальнего порядка приводят к появлению "некристаллических" элементов симметрии.
|
|
|
|
|